多因素耦合作用下透水混凝土道面抗凍性研究

李長(zhǎng)輝，石廣順，趙方冉，陳 宇，王洪龍

(1.中國民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300；2. 山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250001；3.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300000)

0 引言

近些年，研究者在機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域提出了建設(shè)海綿型機(jī)場(chǎng)理念，其主要對(duì)策為建設(shè)大面積可滲、蓄水道面等設(shè)施。但是，在冬季我國北方機(jī)場(chǎng)中，由于溫度低會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)表面結(jié)冰。飛機(jī)表面結(jié)冰會(huì)增加飛機(jī)自重、改變氣流方向，嚴(yán)重影響飛行安全[1]。為確保飛行安全，機(jī)場(chǎng)管理部門常將主要成分為乙二醇的除冰液噴灑在飛機(jī)表面用以飛機(jī)除冰。然而，含有除冰劑的水溶液散落在除冰坪混凝土上，在凍融和除冰液侵蝕的多因素相互作用、復(fù)合疊加下，除冰坪混凝土的表面會(huì)出現(xiàn)剝落與開裂[2-4]。肖柏林等[5]研究了不同顆粒骨料種類及形狀對(duì)于礦山膠結(jié)填充料低標(biāo)號(hào)流態(tài)混凝土內(nèi)部孔隙的影響。Zhang等[6]研究了一種新的人工智能算法(MOLSSVR)對(duì)于透水混凝土的滲透系數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。Chen等[7]研究了以Na2O和SiO2為主要摻合料的堿礦渣透水混凝土對(duì)于水的凈化作用。洪錦祥等[8]研究了質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率與抗折強(qiáng)度損失率之間的關(guān)系。郭寅川等[9]研究了高寒地區(qū)橋面板水泥混凝土的抗鹽凍性能，研究結(jié)果表明鹽凍作用會(huì)加速混凝土表面砂漿層的剝蝕，但對(duì)混凝土剝蝕面下的砂漿層剝蝕不顯著。李滿良等[10]研究了在透水慢行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)生態(tài)下瀝青混合料的滲透系數(shù)與空隙率及連續(xù)空隙率的關(guān)系。宋云連等[11]分別采用0%，8%，10%，12%，14%，16%的早強(qiáng)劑替換水泥摻入碎石中，研究了早強(qiáng)劑的摻量對(duì)于水泥穩(wěn)定材料抗凍性能的影響。劉丹丹等[12]通過正交試驗(yàn)的方法，設(shè)定了3組不同水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試件，研究了水灰比對(duì)于透水混凝土性能的影響。對(duì)于透水混凝土道面，由于其大孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除冰液會(huì)通過內(nèi)部的連通孔隙通道流入指定的區(qū)域[13]。但是，其表層處閉口孔隙及表面開口孔隙仍會(huì)滯留除冰液。此外，一旦透水混凝土孔道出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，大量的除冰液會(huì)滯留在孔道內(nèi)部，在低溫下受凍膨脹產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力不容忽視。由上述文獻(xiàn)研究可知，研究?jī)?nèi)容多集中在普通混凝土道面抗凍性研究，對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面中大孔隙率透水混凝土道面的抗凍性能研究有限。

因此本研究以透水混凝土材料為主要研究對(duì)象，開展了系統(tǒng)的抗凍試驗(yàn)研究，分析了混凝土試件在不同的除冰液濃度、孔隙率、低溫、結(jié)冰速率下經(jīng)過25，50，75，100次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失及質(zhì)量損失，系統(tǒng)研究了透水混凝土材料在除冰液及外部因素作用下的凍融損傷特點(diǎn)，結(jié)果對(duì)于工程具有指導(dǎo)性意義。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所需主要材料包括：粗集料、水泥、水、減水劑、引氣劑、乙二醇溶液等。試驗(yàn)所使用的粗骨料為8～10 mm 的單粒級(jí)石灰?guī)r碎石，要求外形均勻且針片狀顆粒的含量在15%以內(nèi)，表觀密度2 715 kg/m3，含水量0.5%，含泥量0.3%。水泥采用PI42.5硅酸鹽水泥，外加劑為 AJF-6 緩凝高效減水劑與JM-2000C 高效引氣劑。試驗(yàn)所使用的凍融介質(zhì)為體積濃度不相同的乙二醇除冰液，凍融介質(zhì)的體積濃度分別為 3.5%，12.5%及25%。目標(biāo)孔隙率分別為15%，20%，25%，30%的透水混凝土質(zhì)量配比如表1所示。

表1 不同孔隙率混凝土的配合比設(shè)計(jì)

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[14]的規(guī)定，本凍融循環(huán)試驗(yàn)采用快凍法，抗凍性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量。試驗(yàn)采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)(DR-Ⅱ型, 天津東正測(cè)控技術(shù)發(fā)展有限公司制造)，試驗(yàn)機(jī)主要由溫度測(cè)量控制系統(tǒng)、凍融試驗(yàn)箱、水冷循環(huán)系統(tǒng)、制冷加熱系統(tǒng)等部分組成。試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)用試件及控制系統(tǒng)程序如圖1所示。采用抗凍性標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸：100 mm×100 mm×400 mm。試驗(yàn)通過控制變量法分別測(cè)定不同孔隙率、除冰液濃度、凍融速率及低溫凍結(jié)溫度等因素對(duì)透水混凝土抗凍性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 除冰液濃度對(duì)透水混凝土抗凍性影響

混凝土在反復(fù)經(jīng)受凍融循環(huán)的過程中，混凝土表面骨料會(huì)發(fā)生由凍融導(dǎo)致的松散剝落，造成混凝土的質(zhì)量損失。因此采用混凝土的質(zhì)量損失率作為參數(shù)可有效地衡量混凝土遭受凍融破壞的程度，混凝土的質(zhì)量損失率Δm按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，m0為未經(jīng)試驗(yàn)試件的原始質(zhì)量；m1為試件經(jīng)受N次凍融循環(huán)后的質(zhì)量。應(yīng)注意的是在測(cè)試多孔混凝土質(zhì)量損失率時(shí)，在一個(gè)凍融循環(huán)后將試件表面沖洗干凈并擦去表面水分，靜置3～4 h將其孔內(nèi)水分控干后再測(cè)試其質(zhì)量損失。

除質(zhì)量損失率外，混凝土遭受凍融后的破壞程度還可用試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率來評(píng)價(jià)，混凝土材料的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率Er的計(jì)算方法見式(2)：

(2)

式中，E0為試件在未經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)前的原始彈性模量；v0為試件在未經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)前原始聲波速度；En為試件經(jīng)受N次凍融循環(huán)后的彈性模量；vn為試件經(jīng)受N次凍融循環(huán)后的聲波速度。

在相同凍結(jié)溫度及凍融速率下，采用15%孔隙率的混凝土試件，分別測(cè)定體積分?jǐn)?shù)為3.5%，12.5%，25%乙二醇溶液的抗凍性指標(biāo)變化情況如圖2、圖3所示。

圖2 不同除冰液濃度下的質(zhì)量損失Fig.2 Mass losses under different deicing liquid concentrations

圖3 不同除冰液濃度下相對(duì)動(dòng)彈模量Fig.3 Relative dynamic elastic moduli under different deicing liquid concentrations

以清水為對(duì)照組，通過分析抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化情況，結(jié)果表明：在第100次循環(huán)后，3.5%乙二醇濃度的試件質(zhì)量損失率為1.5%，相對(duì)動(dòng)彈模量為85%，其抗凍性最差，說明低濃度的除冰液會(huì)加劇混凝土骨料的剝落。而隨著除冰液濃度增加，在第100次循環(huán)后，25%乙二醇濃度的試件質(zhì)量損失率為0.4%，相對(duì)動(dòng)彈性模量為94%，明顯優(yōu)于清水和低濃度試件，說明高濃度的乙二醇溶液可以改善透水混凝土的抗凍性能。

2.2 孔隙率對(duì)透水混凝土抗凍性能影響

試驗(yàn)使用25%濃度乙二醇溶液作為凍融介質(zhì)，控制相同凍結(jié)溫度及凍融速率，采用不同配合比分別測(cè)定了15%，20%，25%，30%孔隙率試件的抗凍性指標(biāo)，研究了孔隙率對(duì)透水混凝土的凍融損傷規(guī)律，如圖4、圖5所示。

圖4 不同孔隙率下的質(zhì)量損失Fig.4 Mass losses under different porosities

圖5 不同孔隙率下的相對(duì)動(dòng)彈模量Fig.5 Relative dynamic elastic moduli under different porosities

結(jié)果表明,相同凍融循環(huán)次數(shù)下，試件孔隙率越大，質(zhì)量損失越多，相對(duì)動(dòng)彈模量下降越明顯，抗凍性能越差。故透水混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量降低非連通孔的比例，以保證透水混凝土的抗凍性。

2.3 低溫、凍融速率對(duì)透水混凝土抗凍性影響

對(duì)于混凝土的抗凍性而言，不同地區(qū)低溫凍結(jié)溫度的差異會(huì)影響其抗凍性能。試驗(yàn)仍使用25%濃度乙二醇溶液作為凍融介質(zhì)，試件孔隙率控制為15%，通過凍融試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)將最高溫度均設(shè)置為5 ℃，最低凍結(jié)溫度由低到高分別設(shè)置為-20，-15，-10，-5 ℃。試件在經(jīng)受50次凍融循環(huán)后的抗凍性能指標(biāo)變化如圖6所示。

圖6 不同凍結(jié)溫度下抗凍性指標(biāo)Fig.6 Frost resistance indicators at different freezing temperatures

結(jié)果表明，當(dāng)最低凍結(jié)溫度為-5 ℃時(shí)，試件的質(zhì)量損失率為-0.1%；當(dāng)最低凍結(jié)溫度為-20 ℃時(shí)，試件的質(zhì)量損失率為 0.8%；通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試件的質(zhì)量損失隨最低凍結(jié)溫度的降低而增加。這是由于溫度降低，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)冰時(shí)間變長(zhǎng)，孔隙內(nèi)部水分結(jié)冰膨脹力變大，加劇了試件的剝落。在-5 ℃環(huán)境下，試件質(zhì)量不降反增，這是由于25%乙二醇溶液的冰點(diǎn)較高，在-5 ℃時(shí)凍融介質(zhì)并未結(jié)冰，不產(chǎn)生凍脹效應(yīng)，試件吸水導(dǎo)致質(zhì)量增加。溫度越低，相對(duì)動(dòng)彈模量下降也越明顯。因此，最低凍結(jié)溫度越低，抗凍性越差。

此外，試驗(yàn)分析了不同降溫速率對(duì)透水混凝土抗凍性能的影響及經(jīng)過50次凍融循環(huán)后的透水混凝土試件抗凍性指標(biāo)的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：透水混凝土的凍融破壞與降溫速率有關(guān)，試件的凍融破壞隨降溫速率的變快而加快，此時(shí)試件的抗凍性能也越差。造成此現(xiàn)象的原因是由于降溫速率過快，透水混凝土材料內(nèi)部孔隙中水分結(jié)冰從而導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)凍脹應(yīng)力急劇上升，此時(shí)孔隙外部的應(yīng)力增大，導(dǎo)致骨料間的嵌擠力與黏聚力降低，使骨料更易剝落。

3 不同孔隙類型的凍脹效應(yīng)模擬分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)，基于二維隨機(jī)生成與投放的混凝土骨料建模思路[15-16]，通過ABAQUS建模軟件進(jìn)行了二維細(xì)觀混凝土骨料隨機(jī)模型下的透水混凝土在不同孔隙類型下孔隙水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變模擬分析。

3.1 不同形狀的閉口孔隙凍脹模擬

透水混凝土內(nèi)部孔隙類型復(fù)雜，既有水泥漿中的微小孔隙，也有由于骨料嵌擠作用形成的大孔[17]。首先，通過對(duì)孔隙部件施加與25%乙二醇溶液膨脹系數(shù)等效的膨脹作用力，模擬了圓形閉口孔隙的凍脹應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖7、圖8所示。

圖7 圓形孔隙結(jié)冰膨脹后的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of frozen circular pore after expansion

圖8 圓形孔隙結(jié)冰膨脹后塑性應(yīng)變損傷Fig.8 Plastic strain damage of frozen circular pore after expansion

仿真結(jié)果表明，在混凝土上表層，拉應(yīng)力在孔隙正上方處達(dá)到峰值1.67 MPa，且逐漸向兩側(cè)減弱，呈對(duì)稱分布?？紫端軆霎a(chǎn)生的塑性應(yīng)變向四周發(fā)散，形成損傷帶，在孔隙正上方位置處達(dá)到最大，達(dá)到 0.475 mm。因此，孔隙的正上方面層位置處最容易出現(xiàn)表面剝落。

此外，建立骨料嵌擠產(chǎn)生的多邊形閉口孔隙模型，模擬其凍脹應(yīng)力分布，如圖9、圖10所示。

圖9 三角形孔隙應(yīng)力場(chǎng)Fig.9 Stress field of triangle pore

圖10 四邊形孔隙應(yīng)力場(chǎng)Fig.10 Stress field of quadrilateral pore

模擬結(jié)果表明，在遭受凍脹作用時(shí)，當(dāng)孔隙為多邊形時(shí)，其最大凍脹應(yīng)力多集中在多邊形的頂角位置，如圖9、圖10所示。三角形孔隙及四邊形孔隙在頂角位置處的最大凍脹應(yīng)力分別為0.57 MPa及0.65 MPa。造成此現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)孔隙內(nèi)水分受凍后結(jié)冰發(fā)生膨脹，并處于幾何孔隙的頂角處，因此易造成凍脹應(yīng)力集中。此外當(dāng)孔隙為多邊形時(shí)，其所受凍脹應(yīng)力與多邊形的邊數(shù)存在聯(lián)系。

另外，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上模擬了橢圓形閉口孔隙相互耦合作用下的凍脹效應(yīng)，主要模擬了單排多孔與多排多孔的透水混凝土材料內(nèi)部損傷情況，如圖11、圖12所示。模擬結(jié)果表明，當(dāng)透水混凝土內(nèi)部孔隙間發(fā)生凍脹損傷時(shí)，其損傷的演化主要為損傷帶的擴(kuò)展，孔隙損傷帶會(huì)往鄰近孔隙方向進(jìn)行延伸呈“貫穿”狀態(tài)。當(dāng)損傷帶貫穿后，會(huì)出現(xiàn)骨料被損傷帶包圍的情況，造成骨料的剝落或斷裂，此時(shí)透水混凝土材料內(nèi)部受凍脹影響的范圍提升，從而導(dǎo)致透水混凝土的透水功能減退或失效。

圖11 單排雙橢圓孔損傷Fig.11 Damage of single-row double oval pores

圖12 雙排雙橢圓孔損傷Fig.12 Damage of double-row double oval pores

3.2 表面開口孔隙凍脹模擬

由于獨(dú)特的內(nèi)部構(gòu)造，透水混凝土表層粗糙，含有大量的表面開口孔隙。與連通孔不同，這類開口孔隙只能使水分滲入而無法使水分排出，滲入的水分積聚在表面開口孔隙內(nèi)部結(jié)冰膨脹，從而會(huì)造成透水混凝土抗凍性的降低[18]。本研究模擬了上表層相鄰半圓形開口孔隙應(yīng)力分布情況，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 表面雙開口孔隙應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution of pores with double openings on surface

結(jié)果表明，應(yīng)力峰值主要集中在開口孔隙的幾何邊角處，此處的骨料容易產(chǎn)生凍脹開裂；相鄰孔隙之間的骨料處應(yīng)力平均值最大，此處的混凝土骨料易剝落，為危險(xiǎn)區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，乙二醇濃度為25%的透水混凝土試件相比于乙二醇濃度為3.5%的透水混凝土試件的質(zhì)量損失率減小了275.0%，相對(duì)動(dòng)彈性模量提高了10.6%。透水混凝土材料的抗凍性隨最低凍結(jié)溫度的降低及凍融速率的加快而變差；相同環(huán)境下，透水混凝土材料的抗凍性隨非聯(lián)通孔隙的增多而變差。因此，機(jī)場(chǎng)管理部門可采用高濃度除冰液以降低道面的凍融損傷；在透水混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能降低非連通孔的比例，以保證抗凍性。

(2)通過對(duì)不同孔隙類型的凍脹模擬分析，上表層處的閉口孔隙中，圓形孔凍脹應(yīng)力峰值位于正上方表層處，多邊形孔隙峰值集中在幾何邊角處；相鄰閉口孔隙間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力損傷帶，損傷帶“貫通”后的區(qū)域容易產(chǎn)生開裂或剝落。